Um pequeno salto à frente: o primeiro microchip 2D funcional do mundo

May 30, 2023

Por King Abdullah University of Science & Technology (KAUST) 4 de junho de 2023

O professor Mario Lanza da KAUST e seus co-pesquisadores projetaram com sucesso o primeiro microchip 2D do mundo usando materiais sintéticos. Apesar dos desafios de fabricação, a equipe criou com sucesso um chip que funciona como um elemento de rede neural de alto desempenho e baixo consumo de energia, abrindo portas para o avanço da tecnologia de microchips. Crédito: © 2023 KAUST; Mário Lanza

A primeira demonstração de um microchip funcional integrando materiais bidimensionais atomicamente finos com propriedades exóticas anuncia uma nova era da microeletrônica.

O primeiro microchip totalmente integrado e funcional do mundo baseado em materiais bidimensionais exóticos foi fabricado na KAUST. A inovação demonstra o potencial dos materiais 2D para expandir a funcionalidade e o desempenho das tecnologias baseadas em microchips.

Since the first fabrication of atomically thin layers of graphite — called grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> grafeno - em 2004, houve intenso interesse em tais materiais para aplicações avançadas e inovadoras devido às suas propriedades físicas exóticas e promissoras. Mas, apesar de duas décadas de pesquisa, os microdispositivos funcionais baseados nesses materiais 2D têm se mostrado indescritíveis devido aos desafios na fabricação e manuseio de filmes finos tão frágeis.

Inspirada pelas recentes conquistas do laboratório de Lanza em filmes 2D funcionais, a colaboração liderada pela KAUST já produziu e demonstrou um protótipo de microchip baseado em 2D.

"Nossa motivação era aumentar o nível de prontidão tecnológica de dispositivos e circuitos eletrônicos baseados em materiais 2D usando microcircuitos CMOS baseados em silício convencionais como base e técnicas de fabricação de semicondutores padrão", diz Lanza. "O desafio, no entanto, é que os materiais 2D sintéticos podem conter defeitos locais, como impurezas atômicas que podem causar a falha de pequenos dispositivos. Além disso, é muito difícil integrar o material 2D no microchip sem danificá-lo."

A equipe de pesquisa otimizou o design do chip para facilitar a fabricação e minimizar o efeito de defeitos. Eles fizeram isso fabricando transistores padrão de semicondutores de óxido de metal complementar (CMOS) em um lado do chip e alimentando as interconexões na parte inferior, onde o material 2D pode ser transferido de maneira confiável em pequenas almofadas com menos de 0,25 micrômetros de diâmetro.

"Produzimos o material 2D - nitreto de boro hexagonal, ou h-BN, em folha de cobre - e o transferimos para o microchip usando um processo úmido de baixa temperatura e, em seguida, formamos eletrodos por cima por evaporação a vácuo convencional e fotolitografia, que são processos que temos internamente", diz Lanza. "Dessa forma, produzimos uma matriz 5 × 5 de células de um transistor/um memristor conectadas em uma matriz de barra transversal."

As propriedades exóticas do 2D h-BN, aqui com apenas 18 átomos ou 6 nanômetros de espessura, o tornam um "memristor" ideal - um componente resistivo cuja resistência pode ser ajustada pela voltagem aplicada. Neste arranjo 5 × 5, cada um dos blocos de memristor em microescala é conectado a um único transistor dedicado. Isso fornece o controle fino de tensão necessário para operar o memristor como um dispositivo funcional com alto desempenho e confiabilidade em milhares de ciclos, neste caso como um elemento de rede neural de baixa potência.

"Com esta descoberta emblemática, agora estamos conversando com as principais empresas de semicondutores para continuar trabalhando nessa direção", diz Lanza. "Também estamos considerando a instalação de nosso próprio sistema de processamento industrial em escala de wafer para materiais 2D na KAUST para aprimorar essa capacidade."